长达数十年的暗物质搜寻最终可能会陷入僵局。
这种被认为将星系凝聚在一起的神秘物质也应该环绕甚至穿过我们的身体。然而，我们看不到也感觉不到它，因为暗物质很少与普通物质相互作用。为了探测假想的暗物质粒子与原子核之间罕见的碰撞，物理学家们建造了越来越大的探测器，这些探测器可以捕捉微弱的信号，并将它们深埋地下，远离宇宙射线和大多数形式的干扰。现在，探测器已经捕捉到了完全不同的东西：太阳中微子，微小而虚幻的粒子，它们可以穿透普通物质，并可能掩盖暗物质信号。
瞥见物理学家们所称的“中微子雾”突显了当前探测器非凡的灵敏度，但也对当前暗物质搜索方法的未来设置了严格的限制。里程碑式的证据来自该领域最前沿的两项竞争性实验：意大利拉奎拉格兰萨索国家实验室的XENONnT和中国锦屏地下实验室的PandaX-4T（粒子和天体物理氙实验，或PandaX 的一部分）。每个项目都使用一个巨大的极冷液氙罐作为探测器。两个团队都在本月早些时候在拉奎拉举行的一次会议上分别公布了他们的结果，PandaX-4T团队在7月15日发布的预印本论文中扩展了他们的发现。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
“这是一个真正拓展仪器能力的结果，”XENONnT的统计学家克努特·莫拉说。PandaX-4T团队的成员在给《大众科学》的电子邮件中表达了对他们发现的类似兴奋，并指出这“证明了当前和未来PandaX物理项目的丰富性”。两个团队都强调，中微子雾不会扰乱他们目前正在进行的暗物质搜索，这些搜索计划再运行几年。
中微子雾源于一个命运攸关的宇宙巧合。使我们的太阳发光的热核聚变反应也产生快速移动且轻如鸿毛的中微子，这些中微子可以以与预测的慢速和重型假想暗物质粒子完全相同的动量撞击氙核。
“这些事件一次看是无法区分的，但[总体而言]，预期的中微子通量具有与[许多暗物质模型预测的]不同的光谱形状，”莫拉说，他解释了两个团队最初是如何标记出雾的。此外，两个项目观察到的候选碰撞次数与基于成熟的太阳物理学的预测一致，这进一步证实了这些事件与太阳中微子有关，而不是与某种意想不到的暗物质有关。
与XENONnT和PandaX-4T两年发现相关的统计能力略低于该领域严格的“证据”阈值，更不用说“发现”了。但没有参与实验的研究人员表示，几乎没有理由怀疑。除了几乎不可思议地与科学家的模型相符之外，结果的误报几率也低于0.4%。 “在任何其他科学领域，[这]都像是100%保证的发现，”本·卡鲁说，他是一名物理学硕士研究生，曾就职于澳大利亚研究委员会暗物质粒子物理学卓越中心悉尼大学节点。
对于莫拉来说，看到实验结果带来了宽慰——然后是兴奋。这些发现证实，XENONnT探测器成功完成了屏蔽几乎所有其他不需要的信号的艰巨任务——这对一个历史上缺乏成功的领域来说是一个福音。“这意味着我们没有看到任何奇怪的小故障，”他说。
在过去的四十年里，一代又一代的暗物质探测器一直在努力“除了更好之外什么也看不到”，悉尼大学的暗物质研究员基兰·奥黑尔说。“现在我们正在进入一个新时代，在新的时代里，这些探测器实际上可以做一些有价值的发现科学，尽管这种科学[可能]会阻止它们做最初建造的目的。”
中微子雾目前并没有扼杀暗物质的搜寻，预计在下一代探测器中也不会。太阳中微子掩盖了假定的低质量暗物质粒子，这两种实验迄今为止对它们的探测都很微弱。在10到15年后，中微子才可能阻碍进展。
理论上，如果目前的探测器收集到数千个额外的数据点，它们就可以开始识别中微子信号和暗物质信号之间的细微差别。然而，这样做需要两个团队都缺乏的资源。在两年多的时间里，XENONnT探测器感应到约40个中微子，PandaX-4T感应到约75个。奥黑尔说，为了“穿透雾”，研究人员需要建造一个大100倍的探测器，或者运行一个长100倍的实验。研究人员可以通过比较使用基于氩或锗的探测器的类似实验的结果来节省时间。或者他们可以将太阳中微子数量的年度变化纳入他们的模型中。但他表示，最终的搜索仍然要依靠“蛮力”。
奥黑尔本人是一个名为CYGNUS的国际合作组织的成员，该组织正在开发一种备用方法——一种新的暗物质探测装置，可以追踪入射粒子的天体来源。太阳中微子来自太阳，而暗物质粒子预计来自合作组织名称的来源方向：天鹅座。虽然大多数理论家怀疑暗物质均匀分布在银河系的星盘中，但太阳系目前正在穿过星盘，朝向天鹅座移动，这意味着探测器应该从天空的那个大致区域记录到“顶风”的暗物质粒子。
然而，这样一种装置可能需要数年的开发时间。卡鲁指出，建造一个足够灵敏和精确的探测器已经很有挑战性，更不用说增加额外的功能了。
奥黑尔认为，最近的技术进步以及对雾的日益关注，可能会为CYGNUS提供更多的动力。“[这种替代方法]历史上并没有得到同样的推动，”他说。“我认为这种情况会慢慢开始改变。”
奥黑尔指出，改变也可能来自物理学家重新思考暗物质可能采取的形式。与迄今为止的大多数实验一样，XENONnT和PandaX-4T假设暗物质表现为WIMP，即弱相互作用大质量粒子。随着这些努力继续排除各种WIMP候选者，人们对另一个想法的兴趣正在激增：暗物质由轴子组成。这些假想粒子比WIMP轻得多，可以通过其他方式探测到。
如果暗物质探测器确实屈服于雾，科学家们可以重新利用这些仪器来研究中微子。少数专门的实验可以识别和观察这些奇特的粒子，但XENONnT和PandaX-4T报告的相互作用——太阳中微子与整个原子核之间的碰撞——以前从未被捕捉到过。更多的数据不仅可以加强现有的发现，还可以产生新的测量方法。PandaX-4T团队特别感兴趣的是一种假想的放射性衰变形式——无中微子双β衰变——如果观察到这种衰变，就可以解决关于中微子是否拥有或是否是其自身反粒子的争论。“下一代PandaX的物理学机遇远比仅仅是暗物质搜索丰富得多，”该团队的成员告诉《大众科学》。
无论是否借助基于氙的工具，对暗物质粒子的搜寻都可能会持续下去。奥黑尔强调，回答究竟是什么构成了宇宙中看不见的物质——或者除了暗物质之外还有什么解释了某些宇宙怪癖——有可能彻底改变物理学定律。“大自然有可能给了我们这种粒子，它除了[帮助]形成星系之外什么都不做，”他说。“但除非我们尝试一切，否则我们永远不会知道。”